[實用新型]光纖干涉水位傳感器

有效

• 申請號: 201520164694.2
• 申請日: 2015-03-24
• 公開（公告）號: CN204461547U
• 公開（公告）日: 2015-07-08
• 發明（設計）人: 劉野;郞金鵬;陳建冬;常天英;崔洪亮;于淼
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01F23/292
• 分類號: G01F23/292
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張建成

技術領域

本實用新型涉及光纖傳感技術領域，具體涉及一種基于邁克爾遜干涉儀結構的光纖水位傳感系統。

背景技術

高精度的水位傳感器可用于監測水庫的水位。當發生洪水或臺風等異常情況時，如果沒有提前進行有效地水位監測，水位達到警戒線，就會造成江堤決口、大水沖毀堤壩等惡性事故，這些災害不僅會造成重大的經濟損失，還會威脅到人民的生命安全，所以對高精度水位傳感器的研制具有重要意義。

隨著光纖通信與光纖傳感技術的飛速發展，光纖傳感器也得到了廣泛的應用。由于光纖傳感器具有體積小、重量輕、抗電磁干擾，耐腐蝕等優點，使得光纖水位傳感器在水位監測領域發揮了巨大的作用。

目前，應用較為廣泛的水位傳感器有幾種，主要包括浮子式水位傳感器、壓阻式壓力水位傳感器、電容式水位傳感器等等。在公開的專利號為CN102889914A的中國專利中，就提出了一種采用基準水位的浮子式水位計，這種浮子式水位計存在一些缺陷，首先不抗電磁干擾，測量精度較低、誤差偏大，其次由于采用浮子的結構，浮子在水中浮動導致它的機械結構會受到很大的磨損，可靠性會降低。在公開的專利號為CN201731918U的中國專利中，提出了一種超聲波式水位傳感器，它利用了超聲波發射接收的原理來測量液位，其缺點是超聲波的發射接收對環境要求比較高，不能應用于比較惡劣或者是復雜的環境下。就水位監測而言，現有的這些電類傳感器存在著很多的局限性，例如安全性不高、傳輸距離有限、使用壽命短、不易組網以及不能適用于電磁干擾、強腐蝕等惡劣環境下。所以，這些水位傳感器越來越不能滿足實際應用的需要。

實用新型內容

本實用新型針對現有技術的不足，提出了一種結構簡單精巧、靈敏度高、可靠性強的光纖干涉水位傳感器。

本實用新型包括如下技術方案：

一種光纖干涉水位傳感器，包括半導體激光器(1)，第一導光單模光纖(2)，3dB耦合器(3)，第二導光單模光纖(4)，敏感元件(5)，第一法拉第旋光鏡(6)，第二法拉第旋光鏡(7)，參考光纖(8)，第三導光單模光纖(9)，光電探測器(10)，3dB耦合器(3)的輸入端通過第一導光單模光纖(2)與半導體激光器(1)相連，耦合器(3)輸出端分成兩路，其中一路經第二導光單模光纖(4)與敏感元件(5)、第一法拉第旋鏡(6)相連，構成探測臂；另一路則經參考光纖(8)直接與第二法拉第旋鏡(7)相連，構成參考臂，3dB耦合器(3)經第三導光單模光纖(9)連接到光電探測器(10)，光電探測器(10)則連接到相位解調系統上。系統中的敏感元件采用在順變柱體上緊密纏繞單模光纖的結構。上述的結構構成了邁克爾遜干涉儀的結構。

本實用新型的原理是：水位傳感器采用了相位調制型傳感器的原理。相位調制型傳感器通過外界物理場來調制光纖干涉儀的干涉臂中所傳光波的相位，而干涉儀把相位變化轉化成光強變化，可利用光電轉換技術及相位檢測技術解調出外界待測的物理信號。在此實用新型中，把由順變柱體制成的敏感元件置于水中，它受到水的壓力，當水位發生變化時，順變柱體受到的壓力也隨之改變，影響了纏繞光纖的應變，從而導致了光波的相位變化。通過光電探測器可直接探測到的光強表達式為：

上式中I₀激光器發出的光強，為光纖干涉的兩個干涉臂的相位差。那么敏感元件在水中所受的壓力表達式為：

該式子中，k為順變柱體的彈性系數，N為順變柱體上纏繞光纖匝數，β為光波在光纖中的傳播常數，σ為泊松比。最后得到水位的變化表達式如下：

Δh=ΔFρg]]>

式中，ρ為水的密度，g為順變柱體在水中的重力加速度。

根據上面的公式，可以明顯的看出，干涉臂的相位變化與水位變化的關系。該水位傳感器通過敏感元件把水位的變化轉換成光纖的縱向應變和徑向應變，從而引起光波的相位變化，而邁克爾遜干涉儀把相位變化(光波的相位變化即為兩條干涉臂相位差的變化)轉換成光強變化，通過光電轉換技術與相位解調技術可得到相位差的變化，利用相位差變化反演得到水位的變化。

有益效果：